光纜老化模型研究

王賢亮，張 炎，周良浩，席世友，魯金屏

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司 綦南供電分公司，重慶401420；2.重慶電信研究院，重慶401336）

光纜老化模型研究

王賢亮1，張 炎2，周良浩1，席世友1，魯金屏2

（1.國網(wǎng)重慶市電力公司 綦南供電分公司，重慶401420；2.重慶電信研究院，重慶401336）

指出了開展光纖老化實驗測試的必要性，提出了老化性能實驗測試方法。利用國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司現(xiàn)存的光纜樣品在實驗室進(jìn)行了老化測試，基于測試數(shù)據(jù)，總結(jié)分析了各存量光纜的老化性能數(shù)據(jù)。建立老化模型進(jìn)行研究，通過模型分析，提煉出實用的光纖壽命判別方法。

光纜；老化；數(shù)學(xué)模型；壽命判別

0 引言

隨著通信事業(yè)的迅猛發(fā)展，光纖通信以其大容量、高速率的特點在通信中起著非常重要的作用。通常光纜線路的設(shè)計壽命是25～30年，我國在網(wǎng)運行的線路中，有些線路已使用近25年，由于光纜線路數(shù)目龐大，這些線路目前的狀況如何，維護(hù)部門很難掌握。2014年，國網(wǎng)重慶市電力公司專門立項開展光纜故障模型研究，由國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司牽頭、重慶電信研究院協(xié)助，對現(xiàn)有電力通信進(jìn)行加速老化實驗。本文通過研究該項目，提煉出一套簡單實用的光纖壽命判別方法。

1 老化實驗

1.1 試樣制備

斷裂伸長率保留率（KO）指光纜老化后的斷裂伸長率與其初始斷裂伸長率的比值。我們對經(jīng)過預(yù)處理的6個試樣進(jìn)行測量，得到試樣1～試樣6的斷裂伸長率初始值依次為75%、100%、125%、110%、90%、100%和100%，平均值為100%。

1.2 試驗過程

我們以6個試樣為一組，取4組試樣分別放在設(shè)定溫度為180℃、165℃、150℃、135℃的溫箱中，按照一定時間間隔取出試樣條，并標(biāo)記取樣時間。將取出的試樣條在室溫下進(jìn)行拉伸試驗，得出各試樣老化后的斷裂伸長率，具體數(shù)值如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)處理

我們通過計算得到6個試樣斷裂伸長率保留率的平均值，具體如圖2所示。

圖1 試樣老化后的斷裂伸長率

圖2 老化時間-斷裂伸長率保留率實驗數(shù)據(jù)

2 判別方法

用阿累尼烏斯(Arrhenius)定律來評估塑料壽命已被塑料行業(yè)接受，Arrhenius認(rèn)為，對于某一確定的反應(yīng)，橡膠活化能是不隨環(huán)境溫度改變而發(fā)生變化的常數(shù)[2]。這一理論保證了熱加速老化試驗的可行性。假設(shè)試樣（絕緣材料）的某一初始性能值為M1，對應(yīng)的時間為t1；性能值為M2時對應(yīng)的時間為t2。當(dāng)熱力學(xué)溫度T為常數(shù)時，從tl～t2試樣性能的變化量為：

其中，E為絕緣材料的活化能 （千卡/克分子），K為玻爾茲曼常數(shù)，A0為常數(shù)，ΔE為失效機理活化能。令t= t2-tl，則：

如果當(dāng)試樣的性能值達(dá)到某個值時認(rèn)為該試樣失效，則試樣的壽命是從tl開始至達(dá)到失效性能值時的時間段，記為τ，則：

其中，a為壽命線截距，b為壽命線斜率 （b=E/2.303R= E/4.567）。從式（4）可以看出，絕緣材料的熱老化壽命的對數(shù)與熱力學(xué)溫度的倒數(shù)呈線性關(guān)系。

我們以斷裂伸長率保留率為縱坐標(biāo)，以老化時間 （本文中所有時間的單位都為小時）的對數(shù)為橫坐標(biāo)，按照最小二乘多項式擬合法進(jìn)行二次多項式曲線擬合，得出不同溫度下試樣性能值隨老化時間變化的變化曲線（K-t曲線），具體如圖3所示。

圖3 臨界值綜合K-t曲線

本文以光纜固有特征斷裂伸長率保留率達(dá)50%為壽命終點[1]，即終點水平。從圖3我們可以看出不同溫度下試樣的斷裂伸長率保留率達(dá)到終點水平時的時間對應(yīng)關(guān)系，據(jù)此繪制出阿累尼烏(Arrhenius)曲線，如圖4所示。

根據(jù)圖4我們得到阿累尼烏斯圖擬合直線，由該直線方程展開外推，可以知道當(dāng)實際工作溫度為30℃時，光纜的壽命為6.57年（這是持續(xù)溫度下的壽命）。

有時根據(jù)實際需求不同，選取的終點水平不一定是確定的值。因此，本文對工作溫度條件和終點水平不同時光纜試樣的使用壽命做了一份報表，如表1所示。

圖4 回歸直線（阿累尼烏斯圖）

表1 光纜壽命-終點水平參考表

3 結(jié)束語

本文采用加速老化實驗的方法，以國網(wǎng)重慶市電力公司綦南供電分公司現(xiàn)有通信光纜為實驗對象，運用阿累尼烏斯(Arrhenius)定律，以斷裂伸長率保留率為終點水平判斷指標(biāo)，得出了光纜壽命-終點水平參考表，為評估光纜壽命提供了參考。該表反映的終點水平與溫度決定的剩余壽命大體符合電力行業(yè)通信經(jīng)驗指標(biāo)。后續(xù)還可以進(jìn)一步加大實驗樣本，得到更多實驗數(shù)據(jù)以進(jìn)一步分析光纜壽命。本文的研究成果為后期制定相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供了參考。

[1]中華人民共和國質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 7142-2002,塑料長期熱暴露后時間-溫度極限的測定[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]肖鑫，趙云峰，許文,等.橡膠材料加速老化實驗及壽命評估模型的研究進(jìn)展[J].宇航材料工藝,2007(1)：27-30.

[3]張明潔.船用大然橡膠絕緣光纜丁一苯使用壽命的估計[J].湛江水產(chǎn)學(xué)院學(xué)報,1993(2)：19-22.

[4]郝誘，王慶春.船用光纜剩余壽命無損檢測法[J].船電技術(shù)，2003(3)：49-52.

[5]趙疆眸，孫慧琴，冉海潮,等.光纜熱老化壽命的預(yù)測[J].河北電力技術(shù),2007(3)：21-23

[6]李昂.橡膠的老化與壽命估算(續(xù))[J].橡膠參考資料,2009,39(4)：29-31.

Research on fiber optic cable aging model

WANG Xian-liang1,ZHANG Yan2,ZHOU Liang-hao1,XI Shi-you1,LU Jin-ping2
(1.State Grid of Chongqing Qinan electric power company,Chongqing 401420,China; 2.Chongqing Institute of Telecommunications,Chongqing 401336,China)

The paper points out the necessity of carry out the fiber aging test,proposes the aging performance test method.It uses state grid of Chongqing Qinan electric power company existing fiber optic cable sample for aging test in the laboratory,based on the test data,the fiber optic cable stock of aging performance data are analyzed and summarized.The paper establishes aging model for research,through analyzing model,refines and practicals the optical fiber discriminant method of life expectancy.

fiber optic cable,aging,mathematical model,discriminant of life

TN913

A

1002-5561（2016）04-0060-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.04.019

2015-10-12。

重慶市電子信息產(chǎn)品測試工程技術(shù)研究中心，重慶市工程技術(shù)研究中心（渝科委發(fā)[2014]1號）資助；重慶市科技平臺與基地建設(shè)計劃項目(工程技術(shù)研究中心)（cstc2014pt-gc40002）資助；國家電網(wǎng)公司科技項目（合同號：SGTYHT/14-JS-188）資助。

王賢亮（1975-），男，副高級工程師，主要從事信息通信方面的工作。